穆斯堡尔谱仪：原理与应用

穆斯堡尔（Mo¨ssbauer）效应是固体原子核γ射线的无反冲发射与共振吸收效应，也称为共振荧光现象。由于它对γ射线能量的细微变化十分敏感，因此可以利用穆斯堡尔效应来探测由于共振原子核附近的物理和化学环境变化而引起的共振γ射线能量的细微变化。从1957年德国青年物理家穆斯堡尔发现此效应至现在，穆斯堡尔效应已迅速发展成为波谱学的一个分支——穆斯堡尔谱学，应用范围也从固体物理扩大到生物物理及考古等领域。

原子核如同原子一样，也具有能级，核处于最低能级为基态，高于基态的能态叫激发态。如果一个原子核处于能量为E_e的激发态，当跃迁到能量为E_g的基态时，便发射一个能量为E_o=E_e-E_g的γ光量子。在一定条件下，等于E_o的光量子可以全部为一个基态的全同核（中子和质子数目均相等的同类核）所吸收，于是该核跃迁到激发态。这个现象叫做γ射线的核共振吸收。但是由于原子核在发射或吸收γ射线时会产生反冲，消耗了部分能量，破坏了共振吸收条件，所以难以观察到γ射线的共振吸收现象。

要观察到穆斯堡尔效应，就必须解决发射和吸收γ射线时原子核反冲造成的能量损失问题。在穆斯堡尔的试验中，采取两个措施来解决此问题。其一是用固体样品，由于共振原子核受到周围晶格的紧密束缚，结果可使其反冲能量很小。事实上到目前为止，还无法观测液态和气态样品的穆斯堡尔效应。其二是利用多普勒效应（Doppler）使原子核得到一个附加的速度来补偿原子核反冲能量的损失。多普勒效应是当波源相对于观察者以速度v作相对运动时，观察者所接收到的波的频率ν′与静止时接收到的频率ν不同。

式中的c为光速，相应的光子能量E=hν改变为

或

ΔE称为多普勒能移。如果使ΔE恰好补充反冲造成的能量损失，就可以观察到穆斯堡尔效应。图9-35所示为穆斯堡尔谱仪结构示意图。它包括四个基本单元：γ射线源和速度单元，共振吸收体，放射线的检测和计数装置以及对共振吸收的总量调制处理的设备单元。

图9-35 穆斯堡尔谱仪结构示意图

对铁的穆斯堡尔效应观察所用的源核为⁵⁷₂₇Co，吸收体就是所要研究的物质，它必须含有与源相同的同位素，而且处于基态，以便发生共振吸收。记录γ射线的探测器可用闪烁计数管。在共振吸收期间，计数率应减小（指透射谱）。记录的曲线即为穆斯堡尔谱。谱的横坐标为源的运动速度，不同的速度是为了调制γ射线的能量。纵坐标为吸收计数（即发射强度）。

由于实现无反冲共振吸收的条件极为严格，因此，核环境的任何微小变化，都足以引起穆斯堡尔谱线的形状、共振吸收位置、强度等的改变，从而推测出样品物质结构的变化。

样品不需要特别抛光，也可用粉末试样，但要求薄，铁试样厚度约为20μm。

穆斯堡尔效应可研究不同类型的沉淀过程（成核、长大过程），了解新相形成过程中原子的分布。用穆斯堡尔效应研究Al（富Al）-Fe合金中的沉淀，经淬火的Al-w（Fe）1%的试样在室温下的穆斯堡尔谱示于图9-36。图中分别给出了固溶体中的Fe、Al₆Fe和Al₁₃Fe₄相沉淀中的Fe的穆斯堡尔谱，该谱可以被理解为由固溶体中Fe的单线和形成Fe原子的最近邻组态的四极劈裂组分的叠加，通过退火处理，由穆斯堡尔谱的变化可以观测到由Al₆Fe至Al₁₃Fe₄相的变化。

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图9-36 穆斯堡尔谱

a）经淬火的Al-w（Fe）1%试样的穆斯堡尔谱，单线代表固溶体中Fe的组分，双线代表Fe的聚集的组分b）Al-w（Fe）冷铸合金的室温

穆斯堡尔谱，该谱是典型的Al₆Fe沉淀

c）Al₁₃Fe₄沉淀的室温穆斯堡尔谱

穆斯堡尔谱能很灵敏地分析微量相的形成。图9-37所示为亚共析钢表面经轻研磨后的穆斯堡尔谱。对谱线的拟合分析可清楚地看到奥氏体的峰，表明在表面生成了奥氏体。这个奥氏体层很薄，用其他试验无法分析（如用F射线衍射探测不出），由于有应变，低能电子衍射也无能为力。

图9-38所示为TiFeH_x合金的穆斯堡尔谱。TiFe合金是储氢合金，需要分析氢含量与合金相组成的关系。由图9-38可知，TiFeH_0.1合金为单峰，可确定为立方结构的α单相；TiFeH_0.9合金的谱则由两个相的峰组成，可确定为α和非立方的β相组成；TiFeH_1.7合金的谱是由三个相的峰重叠在一起，可确定为α、β和非立方的γ相组成。根据峰的高低，还可进行定量分析。

图9-37 亚共析钢表面经轻研磨后的穆斯堡尔谱

1—14.4eV的γ射线计数谱 2—电子计数谱

图9-38 TiFeH_x合金穆斯堡尔谱

1—x=0.1 2—x=0.9 3—x=1.7

此外，穆斯堡尔谱在有序无序转变、马氏体相变和马氏体回火过程、残留奥氏体测量、过冷奥氏体的中温分解、因瓦合金的性能等方面都有研究应用。

这种方法受到同位素种类的限制（适用的有40种左右），而且完成一次观测谱的时间较长，所以有一定的局限性。